conception de robots de très haute précision à articulations flexibles

150 Pages·2004·4.93 MB·French

CONCEPTION DE ROBOTS DE TRÈS HAUTE PRÉCISION
À ARTICULATIONS FLEXIBLES:
INTERACTION DYNAMIQUE-COMMANDE
THÈSE NO 2907 (2003)
PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
Institut de production et robotique
SECTION DE MICROTECHNIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Jean-Philippe BACHER
DEA d'Automatique Industrielle, INSA, Lyon, France
et de nationalité française
acceptée sur proposition du jury:
Prof. R. Clavel, directeur de thèse
Prof. N. Chaillet, rapporteur
Dr T. Gmür, rapporteur
Prof. J. Moerschell, rapporteur
Prof. R. Siegwart, rapporteur
Lausanne, EPFL
2003

à Marie-Pierre,
à mes parents
«La méthode scientifique exige de l’objectivité et du réalisme,
elle requiert que l’individu regarde le monde tel qu’il est, sans
se laisser influencer par ses désirs et par ses peurs, qu’il fasse
preuve d’humilité envers les données de la réalité et qu’il re-
nonce à tout espoir d’omnipotence et d’omniscience.»
Erich Fromm, Le coeur de l’homme

Version abrégée
Le positionnement et l’assemblage de très haute précision, ainsi que le micro-usinage, requièrent des ma-
nipulateurs dédiés. Ces manipulateurs doivent présenter une bonne répétabilité et une bonne précision
de positionnement sur plusieurs degrés de liberté (ddl). Afin d’atteindre des temps de cycle réduits aussi
bien qu’une bonne robustesse vis à vis des perturbations extérieures, des performances dynamiques éle-
vées sont recherchées. Ce travail traite de la conception de robots à articulations flexibles (également ap-
pelées articulations élastiques) dans le but d’atteindre des répétabilités de positionnement d’ordre
nanométrique et les caractéristiques dynamiques désirées.
L’état de l’art est présenté dans plusieurs domaines en rapport étroit avec le sujet traité : dimensionne-
ment des articulations élastiques, conception des liaisons, utilisation des cinématiques parallèles en ro-
botique de haute précision, modélisation dynamique et commande des structures à articulations
élastiques.
Une méthodologie de conception propose une démarche à suivre lors du développement d’un robot. Les
différentes phases de la conception sont détaillées et commentées.
Une étude du dimensionnement des articulations élémentaires permet d’introduire le concept d’articula-
tions fonctionnellement équivalentes. Ce concept consiste à définir un critère de comparaison pour les
articulations élémentaires. L’idée est de comparer des éléments dans lesquels la contrainte atteint la va-
leur maximale admissible pour un déplacement donné.
Les propriétés des liaisons à articulations élastiques (matrices de raideur et de compliance, précision de
positionnement, fréquences et formes propres) déterminent leur comportement. Ces propriétés dépen-
dent des choix du profil des articulations, de la géométrie des masses et du matériau.
Les liens entre une structure, son modèle dynamique et la commande sont étudiés. Plusieurs exemples
montrent l’influence des propriétés mécaniques des structures choisies.
Deux systèmes ont été conçus afin de mettre en évidence les points critiques de la conception et de la
commande des robots de haute précision à articulations élastiques. Le premier système est un guidage à
lames parallèles qui illustre, pour un système à un ddl, l’importance de l’identification, des sensibilités,
des algorithmes de commande, des quantifications (de la commande et de la mesure) et de l’échantillon-
nage.
Le second système est un robot parallèle à 3 ddl utilisé comme machine dédiée à la micro électro-érosion.
Les propriétés et caractéristiques de ce robot sont illustrées.
Certains aspects connexes aux études proposées dans ce travail font actuellement l’objet de travaux de
thèse au Laboratoire de Systèmes Robotiques (LSRO) à l’EPFL. Il s’agit en particulier de la question du
choix d’une cinématique et le problème du calibrage de robots de très haute précision. D’autres ques-
tions, comme l’identification, pourraient encore être approfondies.
Ce travail propose une vision d’ensemble des différentes étapes de la conception d’un robot parallèle de
très haute précision à articulations élastiques.

Abstract
High precision positionning and assembly as well as micro-machining require dedicated devices. These
devices have to provide high repeatability and precision on several degrees of freedom (dof). High dy-
namic characteristics are also sought to reach short task execution time and a good robustness. This work
shows how to design parallel robots with flexure joints that allow nanometric positionning repeatability
and high dynamics.
After a description of the state of the art, a design methodology is proposed. The state of the art is focused
on several topics (analyses and design of flexure joints, parallel micro-robots, dynamic and control of
high precision dynamic devices). The methodology guides the engineer through the different design-
steps.
The design of elementary flexures is studied and the concept of functionaly equivalent flexures is given.
This concept consists in a comparison criterion for elementary flexures. The idea is to compare elements
that allow a given displacement (for instance a bending angle) at maximal stress.
The caracteristics of flexure joints are described. Stiffness and compliance matrix, accurary, eigen-fre-
quencies and eigen-modes determine the behaviour of a joint. The flexure profile, mass-geometry and
material choices are analysed.
The links between a structure, its dynamic model and the controller are investigated. Several examples
are proposed to assess the effect of the mechanical properties of the chosen structures.
Two devices have been built to emphasize important issues encountered in the design and control of high
precision flexure robots. The first one is a linear stage that highlights the importance of identification,
sensitivities, algorithms, quantifications (control and mesure) and sampling on a single dof structure.
The second one is a 3 dof parallel robot used as a micro electro-discharge machine. The properties and
caracteristics of this robot are illustrated.
Some questions like the calibration or the choice of the kinematics are still open.

Remerciements
Ce travail n’aurait pas pu aboutir sans le soutien, l’aide et la contribution de nombreuses personnes que
je tiens à remercier.
Le Professeur Reymond Clavel par la confiance et la liberté qu’il m’a accordées pendant ces trois der-
nières années, ainsi que par les nombreuses discussions que nous avons pu avoir, a été le garant du bon
déroulement de ce travail.
Les membres de mon comité de parrainage m’ont encouragé et soutenu tout au long de ce travail. Merci
au Dr Thomas Gmür et au Prof. Joseph Moerschell d’avoir également accepté de faire partie du jury de
cette thèse. Merci au Dr Mohamed Bouri pour les nombreux conseils qu’il a su me donner et pour ses
explications sur sa commande de robot basée PC.
Merci aux professeurs Nicolas Chaillet et Roland Siegwart, rapporteurs, pour avoir accepté d’examiner
cette contribution.
Les étudiants de semestre et de diplôme ont tous permis des réflexions stimulantes. Je souhaite une bon-
ne route à Léo Carnevale, Dominique Chapuis, Leonardo Hervás Hermida, Marc Kunze, Marc Lippuner
et Olivier Magnenat.
Stefano Bottinelli, assistant lors de mon premier stage au LSRO, m’a initié à la conception des guidages
flexibles. Convaincu du potentiel commercial de ces mécanismes, il a fondé l’entreprise Mecartex, je lui
souhaite de nombreux succès. Merci à Simon Henein qui a ouvert par ses travaux de recherche et sa thèse
un champ de réflexion stimulant.
Mes remerciements et souhaits de réussite vont également à mes camarades de thèse : Patrick Helmer,
Cédric Joseph, Patrick Métrailler, Markus Thurneysen.
Ce travail est l’aboutissement d’études et de réflexions qui ont été menées dans le cadre de projets du
programme suisse de recherche appliquée TopNano21. J’aimerais remercier les personnes de contact
chez les partenaires industriels impliqués dans ces projets, en particulier Dr. Ivano Beltrami et M. Chris-
tophe Reymond.
Merci encore à tous les collègues du LSRO pour les discussions et les services rendus. Citons, sans être
exhaustif : Heidi Banz pour avoir toujours promptement résolu toutes les questions administratives,
Jean-Jacques Crausaz et ses collègues de l’atelier, Jacques Fournier, les docteurs Ricardo Perez, Arvid
Bergander et Jean-Marc Breguet pour leur amitié et leurs conseils, Willy Maeder pour avoir partagé son
expérience en conception mécanique, Carl Schmitt, Tiavina Niaritsiry, Nuno Fazenda, Mélanie Dafflon.
Merci à Maurice Fracheboud pour m’avoir soutenu et supporté comme collègue de bureau pendant la
rédaction de cette thèse. Merci également à Yann Mabillard pour les heures passées ensembles à amé-
liorer le contrôle des structures à articulations élastiques.
Sans ceux qui m’ont enseigné la mécanique et l’automatique à l’INSA de Lyon, je n’aurais sans doute
pas fait ce travail. Merci en particulier aux professeurs Alain Jutard et Maurice Betemps de m’avoir
transmis leur passion.
Merci à mes parents de m’avoir soutenu tout au long de mes études.
Finalement, j’aimerais exprimer ma reconnaissance et mon affection à mon épouse Marie-Pierre, pour
ses corrections orthographiques et grammaticales, ses encouragements quasi-quotidiens, sa présence à
mes côtés.